Spanning, stroom, weerstand en de wet van Ohm: 5 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:19

Behandeld in deze zelfstudie

Hoe elektrische lading zich verhoudt tot spanning, stroom en weerstand.

Wat spanning, stroom en weerstand zijn.

Wat de wet van Ohm is en hoe deze te gebruiken om elektriciteit te begrijpen.

Een eenvoudig experiment om deze concepten te demonstreren.

Stap 1: Elektrisch opladen

Elektrische lading is de fysieke eigenschap van materie die ervoor zorgt dat het een kracht ervaart wanneer het in een elektromagnetisch veld wordt geplaatst. Er zijn twee soorten elektrische ladingen: positief en negatief (meestal gedragen door respectievelijk protonen en elektronen). Gelijke ladingen stoten af en in tegenstellingen trekken aan. Een afwezigheid van netto lading wordt neutraal genoemd. Een object is negatief geladen als het een overmaat aan elektronen heeft en is verder positief geladen of ongeladen. De SI-afgeleide eenheid van elektrische lading is de coulomb (C). In de elektrotechniek is het ook gebruikelijk om het ampère-uur (Ah) te gebruiken; terwijl het in de chemie gebruikelijk is om de elementaire lading (e) als een eenheid te gebruiken. Het symbool Q staat vaak voor lading. Vroege kennis van hoe geladen stoffen op elkaar inwerken, wordt nu klassieke elektrodynamica genoemd en is nog steeds accuraat voor problemen waarvoor geen rekening hoeft te worden gehouden met kwantumeffecten.

De elektrische lading is een fundamentele geconserveerde eigenschap van sommige subatomaire deeltjes, die hun elektromagnetische interactie bepaalt. Elektrisch geladen materie wordt beïnvloed door of produceert elektromagnetische velden. De interactie tussen een bewegende lading en een elektromagnetisch veld is de bron van de elektromagnetische kracht, die een van de vier fundamentele krachten is (zie ook: magnetisch veld).

Twintigste-eeuwse experimenten toonden aan dat elektrische lading wordt gekwantiseerd; dat wil zeggen, het komt in gehele veelvouden van individuele kleine eenheden die de elementaire lading worden genoemd, e, ongeveer gelijk aan 1,602 × 10−19 coulombs (behalve voor deeltjes die quarks worden genoemd, die ladingen hebben die gehele veelvouden zijn van 1/3e). Het proton heeft een lading van +e en het elektron heeft een lading van −e. De studie van geladen deeltjes, en hoe hun interacties worden gemedieerd door fotonen, wordt kwantumelektrodynamica genoemd.

Stap 2: Spanning：

Spanning, elektrisch potentiaalverschil, elektrische druk of elektrische spanning (formeel aangeduid als ∆V of ∆U, maar vaker vereenvoudigd als V of U, bijvoorbeeld in de context van de circuitwetten van Ohm of Kirchhoff) is het verschil in elektrische potentiële energie tussen twee punten per eenheid elektrische lading. De spanning tussen twee punten is gelijk aan de arbeid die per eenheid van lading wordt verricht tegen een statisch elektrisch veld om de testlading tussen twee punten te verplaatsen. Dit wordt gemeten in eenheden van volt (een joule per coulomb).

Spanning kan worden veroorzaakt door statische elektrische velden, door elektrische stroom door een magnetisch veld, door in de tijd variërende magnetische velden of een combinatie van deze drie. Een voltmeter kan worden gebruikt om de spanning (of het potentiaalverschil) tussen twee punten in een systeem te meten; vaak wordt een gemeenschappelijk referentiepotentiaal zoals de aarde van het systeem als een van de punten gebruikt. Een spanning kan ofwel een energiebron (elektromotorische kracht) of verloren, gebruikte of opgeslagen energie (potentiële daling) vertegenwoordigen

Bij het beschrijven van spanning, stroom en weerstand is een veel voorkomende analogie een watertank. In deze analogie wordt lading weergegeven door de hoeveelheid water, wordt spanning weergegeven door de waterdruk en wordt stroom weergegeven door de waterstroom. Dus onthoud voor deze analogie:

Water = Opladen

Druk = Spanning

Stroom = Stroom

Denk aan een watertank op een bepaalde hoogte boven de grond. Aan de onderkant van deze tank zit een slang.

Dus de stroom is lager in de tank met een hogere weerstand.

Stap 3: Elektriciteit：

Elektriciteit is de aanwezigheid en stroom van elektrische lading. De bekendste vorm is de stroom van elektronen door geleiders zoals koperdraden.

Elektriciteit is een vorm van energie die in positieve en negatieve vormen voorkomt, die van nature voorkomt (zoals bij bliksem) of wordt geproduceerd (zoals in generator). Het is een vorm van energie die we gebruiken om machines en elektrische apparaten van stroom te voorzien. Wanneer de ladingen niet bewegen, wordt elektriciteit statische elektriciteit genoemd. Wanneer de ladingen in beweging zijn, zijn ze een elektrische stroom, ook wel 'dynamische elektriciteit' genoemd. Bliksem is de meest bekende en gevaarlijke vorm van elektriciteit in de natuur, maar soms zorgt statische elektriciteit ervoor dat dingen aan elkaar blijven plakken.

Elektriciteit kan gevaarlijk zijn, vooral rond water omdat water een vorm van geleider is. Sinds de negentiende eeuw wordt in elk deel van ons leven elektriciteit gebruikt. Tot dan toe was het slechts een curiositeit gezien in een onweersbui.

Elektriciteit kan ontstaan als een magneet dichtbij een metaaldraad komt. Dit is de methode die door een generator wordt gebruikt. De grootste generatoren staan in elektriciteitscentrales. Elektriciteit kan ook worden opgewekt door chemicaliën in een pot te combineren met twee verschillende soorten metalen staven. Dit is de methode die in een batterij wordt gebruikt. Statische elektriciteit ontstaat door wrijving tussen twee materialen. Bijvoorbeeld een wollen muts en een plastic liniaal. Wrijf ze samen kan een vonk maken. Elektriciteit kan ook worden opgewekt met energie van de zon zoals in fotovoltaïsche cellen.

Elektriciteit komt de huizen binnen via draden vanaf de plaats waar het wordt opgewekt. Het wordt gebruikt door elektrische lampen, elektrische kachels, enz. Veel huishoudelijke apparaten zoals wasmachines en elektrische fornuizen gebruiken elektriciteit. In fabrieken zijn er machines voor het aandrijven van elektriciteit. Mensen die zich bezighouden met elektriciteit en elektrische apparaten in onze huizen en fabrieken worden "elektriciens" genoemd.

Laten we nu zeggen dat we twee tanks hebben, elke tank met een slang die van de bodem komt. Elke tank heeft exact dezelfde hoeveelheid water, maar de slang op de ene tank is smaller dan de slang op de andere.

We meten dezelfde hoeveelheid druk aan het einde van beide slangen, maar wanneer het water begint te stromen, zal het debiet van het water in de tank met de smallere slang minder zijn dan het debiet van het water in de tank met de bredere slang. In elektrische termen is de stroom door de smallere slang minder dan de stroom door de bredere slang. Als we willen dat de stroom door beide slangen gelijk is, moeten we de hoeveelheid water (vulling) in de tank vergroten met de smallere slang.

Stap 4: elektrische weerstand en geleiding

In de hydraulische analogie is de stroom die door een draad (of weerstand) vloeit als water dat door een pijp stroomt, en de spanningsval over de draad is als de drukval die water door de pijp duwt. Geleiding is evenredig met hoeveel stroming optreedt voor een bepaalde druk, en weerstand is evenredig met hoeveel druk nodig is om een bepaalde stroming te bereiken. (Geleiding en weerstand zijn wederkerig.)

De spanningsval (d.w.z. het verschil tussen spanningen aan de ene kant van de weerstand en de andere), niet de spanning zelf, zorgt voor de drijvende kracht die stroom door een weerstand duwt. In de hydrauliek is het vergelijkbaar: het drukverschil tussen twee zijden van een leiding, niet de druk zelf, bepaalt de stroom erdoorheen. Er kan bijvoorbeeld een grote waterdruk boven de leiding zijn, die water door de leiding naar beneden probeert te duwen. Maar er kan een even grote waterdruk onder de leiding zijn, die het water door de leiding weer omhoog probeert te duwen. Als deze drukken gelijk zijn, stroomt er geen water. (In de afbeelding rechts is de waterdruk onder de leiding nul.)

De weerstand en geleidbaarheid van een draad, weerstand of ander element wordt meestal bepaald door twee eigenschappen:

• geometrie (vorm), en
• materiaal

Geometrie is belangrijk omdat het moeilijker is om water door een lange, smalle pijp te duwen dan door een brede, korte pijp. Op dezelfde manier heeft een lange, dunne koperdraad een hogere weerstand (lagere geleiding) dan een korte, dikke koperdraad.

Materialen zijn ook belangrijk. Een pijp gevuld met haar beperkt de waterstroom meer dan een schone pijp van dezelfde vorm en grootte. Evenzo kunnen elektronen vrij en gemakkelijk door een koperdraad stromen, maar niet zo gemakkelijk door een staaldraad van dezelfde vorm en grootte, en ze kunnen in wezen helemaal niet door een isolator zoals rubber stromen, ongeacht de vorm ervan. Het verschil tussen koper, staal en rubber is gerelateerd aan hun microscopische structuur en elektronenconfiguratie, en wordt gekwantificeerd door een eigenschap die soortelijke weerstand wordt genoemd.

Naast geometrie en materiaal zijn er verschillende andere factoren die de weerstand en geleiding beïnvloeden.

Het spreekt vanzelf dat we bij dezelfde druk niet zoveel volume door een smalle pijp kunnen passen als een bredere. Dit is weerstand. De smalle pijp "weerstaat" de waterstroom erdoorheen, ook al staat het water onder dezelfde druk als de tank met de bredere pijp.

In elektrische termen wordt dit weergegeven door twee circuits met gelijke spanningen en verschillende weerstanden. Het circuit met de hogere weerstand laat minder lading stromen, wat betekent dat het circuit met hogere weerstand minder stroom doorlaat.

Stap 5: Wet van Ohm：

De wet van Ohm stelt dat de stroom door een geleider tussen twee punten recht evenredig is met de spanning over de twee punten. Door de evenredigheidsconstante, de weerstand, in te voeren, komt men tot de gebruikelijke wiskundige vergelijking die deze relatie beschrijft:

waarbij I de stroom door de geleider is in eenheden van ampère, V is de spanning gemeten over de geleider in eenheden van volt, en R is de weerstand van de geleider in eenheden van ohm. Meer specifiek stelt de wet van Ohm dat de R in deze relatie constant is, onafhankelijk van de stroom.

De wet is vernoemd naar de Duitse natuurkundige Georg Ohm, die in een in 1827 gepubliceerde verhandeling metingen beschreef van aangelegde spanning en stroom door eenvoudige elektrische circuits met verschillende lengtes draad. Ohm verklaarde zijn experimentele resultaten door een iets complexere vergelijking dan de moderne vorm hierboven (zie Geschiedenis).

In de natuurkunde wordt de term wet van Ohm ook gebruikt om te verwijzen naar verschillende generalisaties van de wet die oorspronkelijk door Ohm is geformuleerd.